智能臺車移運大型鋼筋混凝土沉管上駁工藝研究

梁邦炎，馬億光明，陳猛，李漢渤，甘世行，李林，王松，姜政遙

（1.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510300；2.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海），廣東 珠海 519000）

0 引言

隨著全球城市化進程的加快和人民生活水平的提高，為了節(jié)省出行時間，出行所需的線路不斷增加和完善，由此提出了直接跨越江河或山川的想法。為了跨越江河山川的阻隔，人類不僅修建了各種各樣的橋梁來滿足交通發(fā)展的需要，同時也修建了大量的隧道工程。隧道作為地下工程建筑物，在跨越江河的工程技術方案中，水下隧道能夠很好地解決大跨度水域問題，且具有不影響航道通航和城市美化等優(yōu)勢，因此水下隧道的方案得到了越來越多的認可。

目前，國內外超大型預制構件水上出運基本采用自浮濕式浮運方式[1-2]，沉管預制完成后干塢灌水、浮運出塢、拖航至施工現(xiàn)場，例如韓國釜山4.8萬t沉管[3]、港珠澳大橋8萬t沉管[2，4-5]、深中通道7萬多t沉管[6-7]等。自浮濕式浮運方式一般適用于浮運航道水深條件好、具有一定干舷的沉管運輸安裝過程[8]。對于內河、灣口的淺水條件下，采用自浮濕式浮運受制于臨時航道疏浚量大、環(huán)境影響大等因素，因此需研究設計一種淺吃水、快速運輸安裝的工藝。沿江高速前海段與南坪快速銜接工程位于深圳前海灣內，沉管重約3.6萬t，受限于灣內水深淺、浮運距離遠、臨時航道疏浚量大等一系列因素的控制[9]，沉管采用“智能臺車上駁+淺吃水半潛駁運輸”的方式，在國內尚屬首次。

本文將重點介紹利用“智能臺車+半潛駁智能調載系統(tǒng)”實現(xiàn)大型鋼筋混凝土沉管安全快速的上駁工藝。

1 工程概況

沿江高速前海段與南坪快速銜接工程位于深圳市前海與寶安中心區(qū)、粵港澳大灣區(qū)核心區(qū)，是粵港澳大灣區(qū)的交通強國示范工程。本項目沉管隧道長2.3 km，是國內規(guī)模最大的整體式管節(jié)沉管隧道，是國內首座大規(guī)模淺水沉管隧道，共分為29個管節(jié)，單個標準管節(jié)長度80 m，寬42.8 m，高度10.05 m，重約3.6萬t，沉管典型橫斷面見圖1。沉管預制場設在桂山島，采用工廠法預制和淺吃水半潛駁運輸至深圳現(xiàn)場，預制場總平面布置見圖2。

圖1 沉管典型橫斷面圖(cm)Fig.1 Typical cross-section of immersed tube(cm)

圖2 桂山島預制場總平面布置圖Fig.2 General layout of Guishan Island prefabrication yard

本項目3.6萬噸級鋼筋混凝土管節(jié)采用“智能液壓臺車整體移運+半潛駁坐底智能調載”的上駁方式，是國內在鋼筋混凝土管節(jié)中首次采用的工藝?；诨炷两Y構控裂高要求，需在類似工藝基礎上研發(fā)控制精度更為嚴格、調節(jié)延時更為可控的智能移運和上駁控制系統(tǒng)，解決了半潛駁坐底區(qū)域地基處理、沉管移運過程中坐底地基壓力控制、半潛駁智能調載等上駁難題。

2 上駁作業(yè)條件及工藝流程

沉管上駁對作業(yè)水文氣象有嚴格要求，經過對風浪流數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，確定沉管上駁作業(yè)窗口條件：流速臆1.5 m/s、波高（Hs）臆0.8 m、波浪周期臆6 s、風速臆6級、能見度逸1 000 m。沉管上駁涉及作業(yè)準備、半潛駁與碼頭搭接、半潛駁坐底預壓、上駁過程半潛駁智能調載、半潛駁起浮及支撐體系轉換等復雜過程，工藝流程見圖3。

圖3 沉管上駁工藝流程圖Fig.3 Process flow chart of moving immersed tube on barge

3 智能臺車研發(fā)設計

本項目單臺臺車設計額定承載重量400 t，采用兩軸四輪結構。臺車的設計運行速度為重載時1 m/min、半載時2 m/min、空載時3 m/min。每臺車配置1套三合一驅動電機，滿足坡比0.2%計算坡道阻力要求。典型臺車結構如圖4所示。

圖4 典型臺車結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of typical trolley structure

為滿足沉管控裂需求，臺車液壓同步頂升，共布置4列，每列45個，共180臺臺車，臺車間距1.78 m，支座反力均勻，2倍富裕度，安全可靠。三點支撐是將全部臺車上的支撐千斤頂串聯(lián)成3個支撐點，利用三點成面的原理確保管節(jié)水平姿態(tài)及支撐體系平衡，高差控制10 mm以內。為了使單個獨立油路所串聯(lián)千斤頂均勻分布于所在區(qū)域，實現(xiàn)互為備用，保證結構支撐安全，采用單雙數(shù)支撐千斤頂分別串聯(lián)形成獨立油路，見圖5。智能臺車控制系統(tǒng)實時糾偏、調整；閉環(huán)反饋控制，變頻電機控制，每列臺車同步性控制在20 mm以內；單輪緣設計，控制軸線偏差12 mm以內。

圖5 臺車三點液壓支撐自平衡及雙油路設計示意圖Fig.5 Self-balancing of three-point hydraulic support and dual-oil circuit design of the trolley

4 半潛駁坐底搭接設計

半潛駁壓水坐底與碼頭對接，半潛駁坐底在條帶基床上，甲板面與軌道底面齊平，安裝好軌道過渡梁，半潛駁采用導向裝置對接碼頭，快速精確實現(xiàn)對接，確保液壓移運臺車能直線駛入半潛駁，減少轉彎變形。半潛駁軌道與碼頭移運臺車軌道接駁處，設置4道鋼質過渡梁。每道鋼質過渡梁長3 m，過渡梁設計如圖6所示。臺車移運沉管上駁時，臺車行進允許的最大軌道坡度為7%，過渡梁長度為3 m，允許的碼頭面和半潛駁之間的高差為依21 cm。根據(jù)基床整平的精度要求（依4 cm）和坐底期間基床沉降值（3.3 cm）推算，滿足要求。

圖6 軌道過渡梁布置圖（mm）Fig.6 Arrangement of orbital transition beam(mm)

5 上駁坐底壓力控制及基礎設計

半潛駁坐底后，保持船艙內部與外部連通，半潛駁艙內水位與外部潮位持平，半潛駁坐底對基床壓力為半潛駁自重。臺車成套設備移運管節(jié)沿軌道上駁，當臺車成套設備的車輪進入半潛駁船甲板時，半潛駁船對接端通過提前排水、控制排水速度的方式，保持駁船底對港池坐底基礎保持一定壓力（不超載）。沉管上駁速度控制在0~1 m/min，經上駁過程中半潛駁排水核算，在沉管上駁前提前排水，保證半潛駁對基床的壓力不超過半潛駁自重，具體見表1。

表1 沉管上駁期間半潛駁坐底基礎壓力計算表Table 1 Calculation table of the foundation pressure of the semi-submersible barge during the loading of immersed tube

碼頭前沿半潛駁停泊水域為半潛駁坐底區(qū)域，為減小半潛駁坐底時碼頭基床的沉降，坐底區(qū)域的基礎為橡膠+鋼筋混凝土預制梁+碎石墊層，基礎下方的地基采用DCM樁基處理的復合地基。坐底區(qū)域基礎共布置12道條帶。每個船位對稱布置6列條帶，每條條帶長154 m，條帶基礎位于半潛駁龍骨的正下方，前沿地基處理剖面如圖7所示。坐底區(qū)域地基處理采用水泥攪拌樁加固，水泥攪拌樁單樁直徑1.3 m，搭接0.3 m，四樁一簇直徑2.3 m，攪拌站穿透砂混淤泥層及黏土層至風化巖層，樁長約為14 m，布置在條帶基礎的正下方，單個坐底區(qū)域條帶基礎布置如圖8所示。采用對基床進行超載1.3倍預壓方式，減少沉管上駁過程中差異沉降影響。該復合基礎承載力為158.0 kPa，大于預壓105 kPa，總沉降約為45 mm，滿足使用要求。

圖7 碼頭前沿基礎剖面及坐底梁基礎大樣圖Fig.7 Profile of foundation at wharf front and general drawing of bottom girder foundation

圖8 條帶基礎布置示意圖（mm）Fig.8 Schematic diagram of strip foundation layout（mm）

6 半潛駁排水起浮及支撐體系轉換

沉管上駁半潛駁后，半潛駁排水起浮，由于沉管重量集中于船中位置，半潛駁會發(fā)生撓度變形。根據(jù)計算，半潛駁范圍內最大變形為202 mm，沉管范圍內最大變形為62 mm。由于鋼筋混凝土沉管截面剛度為半潛駁的2.5倍，若采取普通的剛性支墩，會發(fā)生沉管中部脫空，導致沉管產生裂縫。因此，沉管上駁后半潛駁排水起浮，如何控制管節(jié)平穩(wěn)坐落在半潛駁支墩上是沉管上駁的核心問題。

半潛駁支撐方案經比選，選擇“快速頂升無源支撐+橡膠支墊”的形式，船上支撐共布置8列，間距按船舶甲板橫梁間距2 m布置，船上支撐沿船中對稱布置。當成套設備的臺車全部行走到駁船指定位置后，船舶調整壓載水實現(xiàn)起浮至距基床頂面1 m，支撐體系轉換工藝見表2。

表2 支撐體系轉換步驟表Table 2 Support system conversion steps table

半潛駁起浮過程中逐步產生撓度變形，臺車液壓千斤頂快速響應（速度為3 mm/s）和三點自平衡設計，可較好自適應調節(jié)撓度變化，使沉管下表面位于同一水平高度，保證受力均勻，消除船體變形對沉管的影響，如圖9所示。

圖9 半潛駁起浮變形及支墩示意圖Fig.9 Schematic diagram of buoyancy deformation and support pier of semi-submersible barge

上浮調平后支墩反力均勻，沉管最大拉應力為1.75 MPa，小于規(guī)范C50混凝土允許拉應力2.64 MPa。

7 結語

采用大型淺吃水半潛駁干式運輸鋼筋混凝土沉管工藝，可以很好解決內河、灣口等淺水域沉管運輸?shù)呐R時疏浚量過大、環(huán)境影響大的難題。本文系統(tǒng)介紹了智能臺車移運大型鋼筋混凝土沉管上駁的工藝，主要結論如下：

1）采用智能臺車三點平衡設計，確保管節(jié)上駁水平姿態(tài)及支撐體系平衡，解決沉管移運過程中的控裂難題。

2）采用快速定位拉桿和鋼質過渡梁，可以較好實現(xiàn)半潛駁坐底搭接。采用提前排水方式，設計臺車移運速度、半潛駁排水工序及速度，從而有效降低半潛駁坐底基礎荷載要求。

3）坐底基礎設計采用“DCM樁+碎石基礎+坐底梁”的方式，采用1.3倍荷載預壓消除不均勻沉降，能較好滿足半潛駁上駁過程荷載需求。

4）由于沉管剛度約為半潛駁剛度的2.5倍，利用臺車液壓千斤頂快速反應和自平衡特性，可較好解決起浮過程半潛駁撓度變形及支撐體系轉換難題。

綜上所述，本文可以為后續(xù)類似項目采用智能臺車運輸大型鋼筋混凝土構件上駁提供有益借鑒。